巖質橋墩邊坡破壞模式與關鍵楔體穩(wěn)定性研究

董利軍

（山西省地球物理化學勘查院，山西運城044000）

巖質橋墩邊坡破壞模式與關鍵楔體穩(wěn)定性研究

董利軍*

（山西省地球物理化學勘查院，山西運城044000）

仙水河1#大橋右幅5號橋墩邊坡位于廣東省樂昌市梅花鎮(zhèn)大坪村老屋場境內(nèi)，此段線路約呈95°方向展布。人工邊坡是由于開挖廣樂高速公路仙水河1#大橋右幅5號橋墩的施工平臺及樁基承臺形成。施工平臺和承臺開挖過程中坡體發(fā)生變形，屢見沿順坡向節(jié)理面剝落、掉塊現(xiàn)象，給機械設備和施工人員的安全造成很大威脅，延誤施工工期。首先，采用赤平投影法對邊坡的穩(wěn)定性進行了定性分析，探討邊坡可能存在的破壞模式；其次，根據(jù)定性分析的結果，重點對影響邊坡穩(wěn)定性的關鍵楔體進行了穩(wěn)定性分析。通過這一分析，可為邊坡的支護防治提供理論依據(jù)與技術支持。

巖質邊坡；穩(wěn)定性分析；關鍵楔體；破壞模式；穩(wěn)定系數(shù)

1 概述

仙水河1#大橋右幅5號橋墩邊坡為中小型人工邊坡，坡面整體傾向為南南東向。坡頂為左線開挖施工便道，坡底為右幅5號墩開挖施工便道和施工平臺。邊坡實測最大坡高為26m，坡長40m，切坡面積約為820m2。坡面總體坡度較大，坡度為65°。巖層產(chǎn)狀為60°～80°∠70°～80°，與坡面大角度相交，為斜交坡。目前狀況下，開挖邊坡出露節(jié)理裂隙發(fā)育的強風化震旦系樂昌峽群(Z2Lc)淺變質砂巖，局部可見被節(jié)理裂隙切割的破碎巖塊從原巖體中脫落、滑出。樁基承臺均已開挖至設計標高，準備開始樁基施工，目前邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。由于風化作用和人為爆破震動使得坡體表層的破碎巖塊受擾動后發(fā)生剝落、掉塊現(xiàn)象，影響邊坡下部樁基的正常施工作業(yè)以及后期橋墩的正常運營。若邊坡長時間受暴雨沖刷浸泡或其他外動力地質作用，容易引起邊坡局部變形加劇，故需及時對邊坡采取必要的治理措施。本文采用定性與定量相結合的方法對邊坡開挖后的狀態(tài)進行穩(wěn)定性研究，明確邊坡可能存在的破壞模式。在此基礎上，根據(jù)剛體極限平衡法，針對影響邊坡穩(wěn)定性較為嚴重的關鍵楔體進行了專門的分析，可為邊坡的支護治理提供依據(jù)。

2 工程概況

邊坡位于廣東省樂昌市梅花鎮(zhèn)大坪村老屋場境內(nèi)，巖層總體向北東東傾斜，產(chǎn)狀為60°～80°∠70°～ 80°。邊坡大里程一側為第四系坡積土，坡體為震旦系樂昌峽群(Z2Lc)淺變質粉砂巖夾板巖，為巖質坡。該邊坡為開挖施工平臺和樁基承臺所致，邊坡實測最大坡高為26m，坡長40m，切坡面積約為820m2。邊坡為高陡巖質人工邊坡，坡面總體向南南東傾斜，傾向為165°～180°，傾角62°～68°。巖層與坡面大角度相交，為斜交坡。邊坡表面巖石較破碎，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，節(jié)理類型以構造裂隙為主，風化裂隙和卸荷裂隙同時發(fā)育。坡內(nèi)巖層傾向與坡面傾向呈大角度相交。依據(jù)現(xiàn)場調查，結合邊坡結構特征宏觀判斷，邊坡的破壞模式為坡體表層的以節(jié)理裂隙面和層理面切割形成的不同尺寸和規(guī)模的巖石塊體掉塊和滑移為主，邊坡整體是穩(wěn)定的。《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30-2004)確定其安全等級為一級。

3 邊坡破壞模式分析

3.1 定性分析

巖質邊坡的破壞模式，取決于邊坡巖體中的節(jié)理裂隙、層面和坡面的相互組合關系，坡體結構類型不同，其可能的破壞模式也不盡相同[1-3]。該邊坡的可能破壞模式分析如下：

邊坡上覆地層為坡積碎石粘土（Qdl4），黃褐色、灰褐色，可塑—硬塑，含碎塊石，碎石粒徑一般0.5～3.5cm，含量約10%～25%，層厚0.50～3.20m，強度、穩(wěn)定性較差。下伏地層為震旦系樂昌峽群(Z2Lc)淺變質砂巖夾板巖，灰黃色、黃褐色，風化劇烈，變余砂質結構，泥鈣質膠結，主要礦物成份為長石、石英及絹云母等，碎塊狀。巖石結構破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀60°～80°∠70°～80°。邊坡最大高度26m，長約40m，坡面傾向170°，傾角65°，為巖質斜交坡。巖石風化較嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎。邊坡主要發(fā)育2組裂隙：①155°～170°∠70°～80°，順坡向，密度1～2條/m，可見延伸0.20～4.00m；②250°～260°∠50°～60°，密度2～4條/m，張開，可見延伸0.30～2.00m。由于存在順坡向結構面，開挖后坡體存在潛在不穩(wěn)定性。裂隙面是陡坡狀或陡坎狀，這2組裂隙與層面切割巖體成塊狀、碎塊狀，形成塊狀結構，使邊坡處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，應及時和重點防護。取其中代表性節(jié)理作赤平投影如圖1所示。

圖1 邊坡赤平投影圖（上半球）

從圖1上可以看出，巖層傾向和邊坡傾向夾角為100°，邊坡為巖質斜交坡，結構面組合（J1-C、J2-C）向坡外傾斜，2組結構面的交線傾角均小于邊坡的傾角且都在摩擦圓之內(nèi)，可以判斷邊坡表面楔塊處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，結構面組合易把表層巖體切割成各種尺寸的楔形體，沿坡面滑落、掉塊，坡體不穩(wěn)定；J1-J2交線位于邊坡投影弧同側，交線傾角為57°，切割巖體形成不同規(guī)模的楔形體。以上分析可知，邊坡巖體在節(jié)理與結構面相互切割作用下易形成不同規(guī)模的楔形體，層面與節(jié)理面之間的組合不能構成較大滑動的邊界條件，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但為防止試工爆破振動對邊坡穩(wěn)定造成的負面影響，對其節(jié)理面切割嚴重部位進行必要的治理。

3.2 關鍵楔形體定量分析

楔形體穩(wěn)定性分析時采用傳統(tǒng)極限平衡法(TLE)假定滑動面上剪力與兩結構面交線平行，在引入這2個假定條件后，楔形體穩(wěn)定問題靜定可解。

建立圖2所示的局部直角坐標系，s-n-t為左、右結構面交線向上方向，s-n位于豎直面內(nèi)，t與s-n構成右手系[4-5]。

在垂直結構面交線的平面(n-t平面)內(nèi)建立靜力平衡方程：

通過上式可解出結構面對楔形體的法向反力大小N1和N2。

沿結構面交線的下滑力可表達為：

假定結構面切向剪力與法向反力滿足Mohr－Coulumb強度準則，穩(wěn)定系數(shù)可由結構面所能提供的抗滑力與楔形體實際所受下滑力確定：

式中：c1、φ1、c2、φ2——結構面Mohr-Coulumb強度參數(shù)；

A1、A2——滑動面面積。

圖2 楔體受力示意圖

楔體破壞是巖質邊坡失穩(wěn)的一種主要模式，在地質情況揭露的前提下，根據(jù)赤平投影分析確定哪一條或兩條結構面可能形成的不穩(wěn)定楔塊。取典型可能滑塌的楔形體進行分析如下：

楔形體Ⅰ：節(jié)理1、節(jié)理2、坡面及坡頂面組成，楔體滑動符合雙面滑動穩(wěn)定性問題（圖3）。

經(jīng)計算分析，在設計工況下，穩(wěn)定性分析結果為FS=1.192，支護后楔形體穩(wěn)定系數(shù)FS=1.361。

楔形體Ⅱ：節(jié)理1、巖層、坡面及坡頂面組成，楔體滑動為雙面滑動問題（圖4）。

圖3 關鍵楔形體Ⅰ穩(wěn)定性分析

圖4 關鍵楔形體Ⅱ穩(wěn)定性分析

經(jīng)計算分析，在設計工況下，穩(wěn)定性分析結果為FS=1.161，支護后楔形體穩(wěn)定系數(shù)FS=1.337。

4 結論

本文采用定性與定量相結合的方法，對開挖橋墩邊坡的破壞模式及關鍵楔體進行了分析。通過赤平投影分析可知，邊坡巖體在節(jié)理與結構面相互切割作用下易形成不同規(guī)模的楔形體，層面與節(jié)理面之間的組合不能構成較大滑動的邊界條件，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但為防止試工爆破振動對邊坡穩(wěn)定造成的負面影響，對其節(jié)理面切割嚴重部位進行必要的治理。通過關鍵楔體的定量計算可知，危險工況（自重+暴雨作用）下，楔形體Ⅰ和Ⅱ處于基本（欠）穩(wěn)定狀態(tài)，但仍存在著較大的安全隱患，不能達到公路邊坡設計規(guī)范的要求，因此，應當采取必要的治理措施。為防止發(fā)生坡體表面剝落、掉塊，決定對該段邊坡采取2m×2m巖石錨桿進行治理。治理后，楔體的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.361和1.337，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

[1]Goodmna R.E.Block Theory and Its Application[J].Geotechnique,1995，45(3):383-423.

[2]陳祖煌，汪小剛，等.巖質邊坡穩(wěn)定分析——原理,方法,程序[M」.中國水利水電出版社，2005.

[3]蔣爵光.用赤平投影進行節(jié)理巖體穩(wěn)定性分析的方法[J].西南交通大學學報，1985，2(5):54-61.

[4]石根華.巖體穩(wěn)定分析的赤平投影方法[]J.中國科學,1977,3 (5):70-77.

[5]孫廣忠.巖體結構力學[M].北京:科學出版社,1988.

U443.22

A

1004-5716(2015)03-0016-03

2014-03-31

2014-04-03

董利軍（1980-），男（漢族），河北井徑人，工程師，現(xiàn)從事工程勘察、災害治理等相關工作。